Термодинамические и кинетические характеристики дуговой плавки

Процесс дуговой плавки с расходуемым электродом был впервые осуществлён в 1906 г. Для получения ковких образцов литого тантала Болтон и Симпсон использовали лабораторную установку, в принципе подобную современным дуговым печам. Однако с 1906 г. по настоящее время физико-химическая природа процессов, протекающих в дуговом разряде, не получила достаточного освещения. Хотя за последнее десятилетие промышленное применение этого метода плавки получило широкое распространение, тем не менее имеется очень мало сведений, относящихся к управлению этим процессом и его контролю. Изучение принципиальных и практических основ дуговой плавки представляет интерес не только для инженеров-конструкторов, но и для металлургов, работающих в области тугоплавких металлов. Дуговая плавка является методом, позволяющим осуществить удовлетворительный контроль за ходом процесса. Высокое качество металла обеспечивается при этом благодаря опыту, приобретенному при проведении большого количества предварительных экспериментов и обобщению их результатов.

В последнее время получили развитие области применения металлов, требующие рафинирования металла в процессе,кристаллизации и получения слитка, свободного от сегрегации и других обычных пороков. Возможность проведения физико-химических процессов раскисления, дегазации и диссоциации нежелательных соединений в ходе дуговой плавки требует изучения реакций, протекающих в дуге, и контроля процесса дуговой вакуумной плавки.

Производство высоколегированных сталей и сплавов на никелевой основе вызывает необходимость в изучении влияния тормозящих технологию факторов, а также влияния содержания газов на свойства сплавов. Производство молибдена, ниобия и сплавов на их основе методом дуговой плавки должно осуществляться при тщательно контролируемых условиях раскисления. Вследствие чрезвычайно высоких требований, предъявляемых к качеству металлов и сплавов, получаемых методом дуговой плавки, а также его широкого распространения, изучению этого процесса должно придаваться особое значение.

Для металлурга или инженера, незнакомого с дуговой вакуумной плавкой, вакуумная дуговая установка представляет собой совокупность вакуумных насосов, соединительных линий, клапанов, контрольных приборов, камер и других деталей.

В действительности же это оборудование является необходимым лишь для обеспечения безопасности процесса, создания контроля атмосферы и работы дуги. Зона плавления представлена на фиг. 1. Для дуговой плавки можно применять переменный или постоянный ток, однако в большинстве случаев применяют постоянный ток, получаемый с помощью селенового выпрямителя. В этом случае почти всегда электрод является отрицательным, а слиток — положительным полюсом.

Дуга состоит из столба и зоны свечения (венчика). Столб представляет собой поток высокоионизированных газов и металлических ионов; зона видно, что эндотермические реакции в зоне дуги получают большее раз

Реакции, протекающие в ванне, аналогичны любым другим реакциям, протекающим в условиях обычной плавки. Отсутствие реакционной футеровки исключает необходимость учета взаимодействия металла с тиглем, поэтому главными факторами, регулирующими данный процесс, являются состав и давление газов над металлической ванной.

Характеристика вакуумной системы определяется количеством удаляемых газов, скоростью плавки и необходимым давлением, обеспечивающим полное протекание реакций. В процессе плавки выделяющиеся газы непрерывно удаляются, создавая необходимые условия для полного протекания реакций, сопровождающихся образованием газообразных продуктов.

Цель настоящей статьи состоит в том, чтобы разобрать потенциальные возможности процесса дуговой плавки, а также указать на необходимость проведения дальнейших исследований для более полного понимания особенностей этого метода плавки.

Любой процесс можно охарактеризовать в общих чертах следующими тремя положениями:

• 1) требованиями к оборудованию, обусловленными особенностями процесса;
• 2) переменными параметрами, регулирующими процесс;
• 3) результатами процесса и их удельной значимостью.

Эта статья посвящена вопросу, затронутому в п. 2.

Имеет ряд достоинств, например:

• 1) возможность регулирования скорости затвердевания;
• 2) пониженная по сравнению с обычным литьем склонность к се

Метод дуговой плавки с расходуемым элек-грегации;

• 3) отсутствие огнеупорной футеровки (изложницей является водоохлаждаемый медный тигель);
• 4) независимость контроля атмосферы;
• 5) возможность поддержания высокой температуры, необходимой для увеличения скорости реакций, и отсутствие загрязнения металла, который не взаимодействует с керамикой тигля;
• 6) флотация включений и примесей;
• 7) понижение содержания газов в металле благодаря дегазации во время плавки;
• 8) независимость размеров слитков от состава сложных сплавов.

Пункты 4 и 5 представляют особый интерес для металлургов, изучающих физическую химию металлургических процессов.

Прежде всего необходимо остановиться на предельных значениях температуры и давления, существующих в расплавленной зоне.

Величины температур, достигаемые в процессе дуговой плавки с расходуемым электродом

Одним из факторов, затрудняющих определение кинетических характеристик реакций, протекающих в процессе дуговой плавки с расходуемым электродом, является различие температур в разных зонах дуги.

Например, нагрев электрода осуществляется за счет потерь энергии (7²д), излучением с поверхности ванны, конвекцией газов и теплопередачей от катодного пятна.

На фиг. 2 схематически представлено повышение температуры электрода у катодного пятна, вызванное указанными выше причинами. Рассеяние энергии у катодного пятна, которое вызывает плавку электрода, определяется физическими явлениями, связанными с эмиссией электронов; наибольшее количество энергии у катодного пятна выделяется при ударе; нии положительных ионов о поверхность катода. Количественно эта энергия определяется призведением величины положительного ионного тока на катодное падение напряжения. При понижении давления количество положительных ионов, сталкивающихся с металлическими ионами и газовыми молекулами в плазме дуги, понижается, поэтому большее количество их достигает катода и ударяется о его поверхность. Таким образом, при понижении давления большее количество энергии выдегляется на катоде.

Гравитационные силы и боковое давление, создаваемое дугой, непрерывно очищают наконечник электрода от расплавленного металла, обеспечивая переход его в ванну. На пути от наконечника к ванне металл подвергается нагреву до высоких температур плазмы дуги (приблизительно 5000°К).

В этой зоне происходит окончательная очистка металла от примесей благодаря интенсивному испарению их и дегазации металла. По достижении ванны частицы и капли металла охлаждаются до температуры расплавленной ванны. Температура ванны, хотя точно и не была определена, но, по-видимому, находится в пределах 200—300° выше температуры плавления металла. Это обусловлено интенсивным охлаждением изложницы и тепловыми потерями, связанными с испарением металла с поверхности ванны. Сказанное выше подтверждается наблюдениями за плавлением в ванне дуговой печи металлов с сильно различающимися точками плавления.

Существующие давления при дуговой плавке с расходуемым электродом

Многие, не знакомые с технологией использования вакуума в металлургических и химических процессах, полагают, что состав газовой фазы и давление являются относительно постоянными во всей системе. Для статических систем такое предположение можно допустить, но для систем с непрерывным газовыделением, как, например, процесс плавки с расходуемым электродом, где имеются большие различия в температурах и существуют области ограниченного газообмена, этого допустить нельзя.

На фиг. 3 схематично показано изменение давления в типовой дуговой плавильной системе с расходуемым электродом. В области дуги газы выделяются со скоростью, пропорциональной скорости расхода электрода. В стандартных условиях объем газа, заключенного в металле, относительно мал. Поскольку реакции, сопровождающиеся газовыделением, имеют место в системе, давление в которой находится в пределах 5—500 мк (измеренное в откачном патрубке или в корпусе печи), объем выделившегося газа соответственно увеличивается во много раз. Например, объем газа в 1 л, находящегося в стандартных условиях, при понижении давления до 1 мк увеличится до 760 000 л. Давление в системе обусловливается многими факторами. В области дуги благодаря реакциям восстановления, диссоциации и дегазации непрерывно выделяются газы. Газы перемещаются в результате перепада давлений, создаваемого откачной системой между областью дуги, пространством печи и откачным патрубком. Скорость этого процесса перемещения, или диффузии, определяется термическим градиентом и размерами пространства между стенкой тигля и электродом.

Многочисленные изготовители вакуумного оборудования на основании обобщений опытных данных разработали эмпирические зависимости, необходимые для расчетов скоростей откачки, сопротивлений, длин свободного пробега молекул и других величин, характеризующих движение газового потока.